JP2019180908A - 照射計画装置、照射計画方法、および荷電粒子照射システム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者は、1回の治療で照射する放射線量を増大させ、治療期間を短縮するべく、炭素線やそれよりも重い粒子を用い、あるいは炭素線やそれよりも重い粒子に軽い粒子を組み合わせて用いた放射線治療を実現できるように鋭意研究を行った。そして、従来の炭素線の場合に用いていた演算よりも高精度で、かつ実際の治療の現場で利用できる演算速度で演算できる演算式を発明し、この演算式を利用した照射計画装置と、この照射計画装置により決定した照射パラメータを用いて粒子線を照射する粒子線照射システムを発明した。
<<演算式の説明>>
<SMKモデル>
SMKモデル(非特許文献1参照)では、細胞核をドメインと呼ばれる多数の微視的サイトに分けることができる。
※1:Hada M and Georgakilas AG 2008 Formation of clustered DNA damage after high-LET irradiation: a review J. Radial. Res. 49 203-210
損傷の時間変化を考慮すると、zdを受けるドメインの生残率sdは、ドメイン内に致死損傷がない確率として決定され、その自然対数は[数2]により計算される。
<修正SMKモデル>
荷電粒子療法では、ドメイン比エネルギーzdは、一般に、多数の低エネルギー付与イベントからなり、複雑なDNA損傷の飽和を誘発するイベントは稀である。言い換えれば、zd>zoとなるイベントはまれである。
修正SMKモデルでは、細胞生残率を推定するために必要なパラメータは、それぞれ、[数15]のα0、[数16]のβ0、[数1]の飽和パラメータz0、ドメインの半径rd、および細胞核の半径Rnである。rdはZ− d,DおよびZ−* d,Dを導出するために使用され、RnはZ− n,Dを導出するために使用される。これらのパラメータは、使用される細胞の種類やその状態のみに依存し、放射線の種類に依存しない。これらのパラメータのうち、半径Rnは、光学顕微鏡で直接測定することができる。
※2:Suzuki M, Kase Y, Yamaguchi H, Kanai T and Ando K 2000 Relative biological effectiveness for cell-killing effect on various human cell lines irradiated with heavy-ion medical accelerator in chiba (HIMAC) carbon-ion beams Int. J Radiat. Oneal. Biol. Phys. 48 241-250
他のパラメータの数値は、様々な照射条件下での推定された細胞生残率と測定された細胞生残率とを最小自乗回帰によって比較することによって決定した。
※3:Inaniwa T, Furukawa T, Kase Y, Matsufuji N, Toshito T, Matsumoto Y, Furusawa Y and Noda K 2010 Treatment planning for a scanned carbon ion beam with a modified microdosimetric kinetic model. Phys. Med. Biol. 55 6721-37
※4:Chatterjee A and Schaefer H J 1976 Microdosimetric structure of heavy ion tracks in tissue Radial. Environ. Biophys. 13 215-227
※5:Kiefer J and Straaten H 1986 A model of ion track structure based on classical collision dynamics. Phys. Med. Biol. 311201-1209
※6:Kase Y, Kanai T, Matsumoto Y, Furusawa Y, Okamoto H, Asaba T, Sakama M and Shinoda H 2006 Microdosimetric measurements and estimation of human cell survival for heavy-ion beams Radial. Res. 166 629-638
※7:Furusawa Y, Fukutsu K, Aoki M, ltsukaichi H, Eguchi-Kasai K, Ohara H, Yatagai F, Kanai T and Ando K 2000 Inactivation of aerobic and hypoxic cells from three different cell lines by accelerated He-, C- and Ne-ion beams Radial. Res. 154 485-96
スキャニング荷電粒子線治療計画において[数26]に記載の前記生物線量分布を[数28]〜[数31]から得られたD、Z− d,D,mix、Z−* d,D,mixおよびZ− n,D,mixによって計算するには、dj、Z− d,D,j、Z−* d,D,jおよびZ− n,D,jの質量を各ビームレットに関して計算しなければならない。
荷電粒子療法では治療用ビームとして、4He、12Cおよび20Neイオンが、使用されているかまたは使用される計画がある。そこで、この数値計算研究では、治療用ビームのイオン種としてそれら3種が選択された。イオンペンシルビームのek、(Z− d,D)k、(Z−* d,D)k、および(Z− n,D)kを導出するために、モンテカルロソフトウェアのPTSimを使用した(Aso et al 2007 ※8)。
※8:Aso T, Kimura A, Kameoka S, Murakami K, Sasaki T and Yamashita T 2007 Geant4 based simulation framework for particle therapy system. Nuclear Science Symposium IEEE, Conference Record 4 2564-2567
※9:Agostinelli Set al. 2003 Geant4 - a simulation toolkit. Nucl. Jnstrum. Methods. Phys. Res. A 506 250-303
物理的相互作用のパッケージ、スキャニング照射システムのモデル、およびモンテカルロシミュレーションに用いられた水ファントムの幾何学的形状は、Inaniwaら(2017)※10に記載されたものと同じである。
※10:lnaniwa T, Kanematsu N, Noda Kand Kamada T 2017 Treatment planning of intensity modulated composite particle therapy with dose and linear energy transfer optimization Phys. Med. Biol. 62 5180-97
Inaniwa and Kanematsu(2015)※11に記載されたフィッティング手順を、線量dと比エネルギーZ− d,D、Z−* d,D、Z− n,Dのシミュレーション分布に適用して、三重ガウストリクロームビームモデルを構築した。
※11:lnaniwa T and Kanematsu N 2015 A trichrome beam model for biological dose calculation in scanned carbon-ion radiotherapy treatment planning Phys. Med. Biol. 60 437-451
この分析ビームモデルでは、大角度散乱粒子の線量および比エネルギー分布に対する影響を、ペンシルビームアルゴリズムを用いた治療計画において考慮できる。
治療荷電粒子線の混合放射場における位置xにおける(∇Dbio)Jの分析解[数36]は、[数37]として記載される。
粒子線照射システム1は、イオン源2から照射された荷電粒子ビーム3を加速して出射する加速器4と、該加速器4から出射された荷電粒子ビーム3を輸送するビーム輸送系5と、該ビーム輸送系5を経た荷電粒子ビーム3を患者7の照射対象であるターゲット部8(例えば、腫瘍部)に照射する照射装置(スキャニング照射装置)6と、粒子線照射システム1を制御する制御装置10と、粒子線照射システム1の照射パラメータを決定するコンピュータとしての照射計画装置20とを備えている。なお、この実施例では、イオン源2から照射する荷電粒子ビーム3の核種(イオン種)として炭素とヘリウムの例で説明しているが、これに限らず、ネオンや酸素や陽子などを核種(イオン種)とする様々な荷電粒子ビームを照射する粒子線照射システム1に本発明を適用できる。また、この粒子線照射システム1は、スポットスキャン方式のものを用いているが、ラスタースキャン方式等の他のスキャニング照射方式のものとしてもよい。
照射装置6は、荷電粒子ビーム3をビーム進行方向(Z方向)に垂直な平面を形成するX−Y方向に偏向させるスキャニングマグネット(図示省略)と、荷電粒子ビーム3の位置を監視する線量モニタ(図示省略)と、Z方向の荷電粒子ビーム3の停止位置を調整するレンジシフタ(図示省略)とを備え、ターゲット部8に対しスキャン軌道沿って荷電粒子ビーム3をスキャンする。
ペンシルビーム線源データ41は、モンテカルロシミュレーションで取得したe,Zp,Tの空間分布から、上述した[数32]、[数33]、[数34]および[数35]により決定されている。ただし、[数33]、[数34]および[数35]の簡単化のために、核種毎にテーブルデータが作成され記憶装置25に記憶されている。
このテーブルは、[数24]を用いて、次のようにして予め作成されたものである。
図6は、縦軸が線量、横軸が深さを示しており、第1のビームと第2のビームが重ねられた場合のグラフを示している。この図6から、次の[数43]を求めることができる。
まず、どの位置にどれくらいの生残率になるようにビームを照射したいのかを、オペレータに入力される。なお、一般には、生残率を直接入力するのではなく、それに相当する臨床線量を入力するように構成しており、入力された臨床線量を生残率に置換または変換して演算に使用する。このとき、ビームの方向および使用する核種の種類(複数)もオペレータが入力する。
20…照射計画装置
25…記憶装置
33…演算部
41…ペンシルビーム線源データ
Z− d,D…ドメイン線量平均比エネルギー
Z− n,D…細胞核線量平均比エネルギー
Z−* d,D…ドメイン飽和線量平均比エネルギー
Claims (7)
- データを記憶する記憶手段と、演算を行う演算手段とを備え、荷電粒子をペンシルビームとして照射する際の照射パラメータを作成する照射計画装置であって、
前記記憶手段は、
ドメインの線量平均比エネルギーであるドメイン線量平均比エネルギーと、
前記ドメインが多数含まれる細胞核の線量平均比エネルギーである細胞核線量平均比エネルギーと、
前記ドメインの飽和線量平均比エネルギーであるドメイン飽和線量平均比エネルギーを記憶する構成であり、
前記演算手段は、
前記ペンシルビームから着目位置に与えられる前記ドメイン線量平均比エネルギーと前記細胞核線量平均比エネルギーと前記ドメイン飽和線量平均比エネルギーから前記着目位置での生物効果を予測し、前記生物効果に基づいて前記照射パラメータを決定する
照射計画装置。 - 前記記憶手段は、
前記ペンシルビームの線源データとしての深部線量分布と、
各深さでの前記ドメイン線量平均比エネルギーと前記細胞核線量平均比エネルギーと前記ドメイン飽和線量平均比エネルギーを記憶している
請求項1記載の照射計画装置。 - 前記演算手段による前記生物効果の予測は、
複数の前記ペンシルビームから着目位置に与えられる前記ドメイン線量平均比エネルギーと前記細胞核線量平均比エネルギーと前記ドメイン飽和線量平均比エネルギーを線量加重平均し、前記線量加重平均した値に基づいて前記ペンシルビームの照射による生物効果を予測する構成である
請求項1または2記載の照射計画装置。 - 前記照射パラメータの決定は、
前記加重平均した値から前記着目位置での生残率を前記数1により算出してRBEを決定する構成である
請求項4記載の照射計画装置。 - データを記憶する記憶手段と、演算を行う演算手段とを備え、荷電粒子をペンシルビームとして照射する際の照射パラメータを作成する照射計画装置による照射パラメータを決定する照射計画方法であって、
前記記憶手段に、
ドメインの線量平均比エネルギーであるドメイン線量平均比エネルギーと、
前記ドメインが多数含まれる細胞核の線量平均比エネルギーである細胞核線量平均比エネルギーと、
前記ドメインの飽和線量平均比エネルギーであるドメイン飽和線量平均比エネルギーを記憶しておき、
前記演算手段により、
前記ペンシルビームから着目位置に与えられる前記ドメイン線量平均比エネルギーと前記細胞核線量平均比エネルギーと前記ドメイン飽和線量平均比エネルギーから前記着目位置での生物効果を予測し、前記生物効果に基づいて前記照射パラメータを決定する。
照射計画方法。 - イオン源で生成した荷電粒子を加速器により加速してペンシルビームとして標的に照射する荷電粒子照射システムであって、
請求項1から5のいずれか1つに記載の照射計画装置により決定された照射パラメータに従って前記ペンシルビームを照射する構成である
荷電粒子照射システム。
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